第1章 土方工程1.doc

第一章 土方工程学习目的熟悉各类土的特征；掌握基坑、基槽轴线标高的控制要求及土方计算；熟悉土方工程质量标准；能针对土方工程施工现场可能发生的安全事故采取应对措施。能根据土样鉴定土的类别；会利用放线工具进行施工现场放线。第一节 土的分类及工程性质土的基本性质与工程施工有关，在施工之前应详尽了解，避免造成工程事故。本门课程从下列两方面对土的基本性质进行阐述：一、土的分类 按土开挖的难易程度将土分为：松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、软石、次坚石、坚石、特坚硬石等八类。详细见表1-1所示 土和普通土可直接用铁锹开挖，或用铲运机、推土机、挖土机施工； 坚土、砂砾坚土和软石要用镐、撬棍开挖，或预先松土，部分用爆破的方法施工； 次坚石、坚石和特坚硬石一般要用爆破方法施工。表1-1土的工程分类与现场鉴别方法土的分类土的名称可松性系数现场鉴别方法KsKs一类土 (松软土)砂，亚砂土，冲积砂土层，种植土，泥炭(淤泥)1.081.171.011.03能用锹、锄头挖掘 二类土 (普通土)亚粘土，潮湿的黄土，夹有碎石、卵石的砂，种植土，填筑土及亚砂土 1.141.281.021.05用锹、锄头挖掘，少许用镐翻松 三类土 (坚土)软及中等密实粘土，重亚粘土，粗砾石，干黄土及含碎石、卵石的黄土、亚粘土，压实的填筑土 1.241.301.041.07要用镐，少许用锹、锄头挖掘，部分用撬棍 四类土(砂砾坚土)重粘土及含碎石、卵石的粘土，粗卵石，密实的黄土，天然级配砂石，软泥灰岩及蛋白石 1.261.321.061.09整个用镐、撬棍，然后用锹挖掘，部分用楔子及大锤 五类土 (软石)硬石炭纪粘土，中等密实的页岩、泥灰岩、白垩土，胶结不紧的砾岩，软的石炭岩 1.301.45 1.101.20 用镐或撬棍、大锤挖掘，部分使用爆破方法 六类土 (次坚石)泥岩，砂岩，砾岩，坚实的页岩，泥灰岩，密实的石灰岩，风化花 岗岩，片麻岩 1.301.45 1.101.20 用爆破方法开挖,部分用风镐 七类土 (坚石)大理岩，辉绿岩，玢岩，粗、中粒花岗岩，坚实的白云岩、砂岩、砾 岩、片麻岩、石灰岩，风化痕迹的安山岩、玄武岩 1.301.45 1.101.20 用爆破方法开挖 八类土(特坚硬石)安山岩，玄武岩，花岗片麻岩，坚实的细粒花岗岩、闪长岩、石英岩、辉长岩、辉绿岩、玢岩 1.451.50 1.201.30 用爆破方法开挖 二、土的工程性质土的工程性质对土方施工方法的选择、劳动量和机械台班的消耗及工程费用等都有较大影响。1.土的含水量土的含水量：土中水的质量与固体颗粒质量之比的百分率式中：m湿 含水状态土的质量,kg； m干 烘干后土的质量,kg； mw 土中水的质量,kg； mS 固体颗粒的质量,kg.土的含水量随气候条件、雨雪和地下水的影响而变化，对土方边坡的稳定性及填方密实程度有直接的影响.2.土的天然密度和干密度土的天然密度: 在天然状态下，单位体积土的质量。它与土的密实程度和含水量有关。土的天然密度按下式计算： 式中:土的天然密度,kg/m3； m 土的总质量,kg； V 土的体积,m3.干密度: 土的固体颗粒质量与总体积的比值.用下式表示： 式中：d 土的干密度,kg/m3； mS 固体颗粒质量,kg； V 土的体积,m3.在一定程度上,土的干密度反映了土的颗粒排列紧密程度.土的干密度愈大,表示土愈密实.土的密实程度主要通过检验填方土的干密度和含水量来控制.3.土的可松性系数 土的可松性：天然土经开挖后，其体积因松散而增加，虽经振动夯实，仍然不能完全复原，土的这种性质称为土的可松性。 土的可松性用可松性系数表示： 最初可松性系数KS=V2 /V1 最后可松性系数KS=V3 /V1 用途：开挖、运输、存放，挖土回填，留回填松土 式中：KS、KS土的最初、最终可松性系数； V1土在天然状态下的体积,m3； V2 土挖出后在松散状态下的体积,m3； V3土经压(夯)实后的体积,m3.土的最初可松性系数KS是计算车辆装运土方体积及挖土机械的主要参数；土的最终可松性系数KS是计算填方所需挖土工程量的主要参数,各类土的可松性系数见第一节表1.1所示.4.土的渗透性土的渗透性：指土体被水透过的性质.土的渗透性用渗透系数表示.渗透系数：表示单位时间内水穿透土层的能力,以m/d表示；它同土的颗粒级配、密实程度等有关,是人工降低地下水位及选择各类井点的主要参数。 土的渗透系数见表1-2所示表1-2土的渗透系数参考表土的名称渗透系数(m/d)土的名称渗透系数(m/d)粘土0.005中砂5.0020.00亚 粘 土0.0050.10均质中砂3550轻亚粘土0.100.50粗砂2050黄土0.250.50圆 砾 石50100粉砂0.501.00卵石100500细砂1.005.00第二节 土方量计算在土方施工之前,必须计算土方的工程量.但各种土方工程的外形有时很复杂,而且不规则.一般情况下,将其划分成为一定的几何形状,采用具有一定精度而又和实际情况近似的方法进行计算.一、基坑与基槽土方量计算基坑土方量可按立体几何中拟柱体(由两个平行的平面作底的一种多面体)体积公式计算(如图1-1所示).即： V =(F下+ 4F中+ F上)H/6 式中：H 基坑深度,m； F上、F下基坑上、下底的面积，m2； F中 基坑中截面的面积，m2.图1-1基坑开挖土方量计算图1-2基槽开挖土方量计算基槽土方量计算可沿长度方向分段计算(如图1-2所示 )：沿长度方向分段计算Vi,再 V = Vi 断面尺寸不变的槽段：Vi =FiLi断面尺寸变化的槽段：Vi =(Fi上+4Fi中+Fi下)Li/6二、 场地平整土方计算 对于在地形起伏的山区、丘陵地带修建较大厂房、体育场、车站等占地广阔工程的平整场地,主要是削凸填凹,移挖方作填方，将自然地面改造平整为场地设计要求的平面. 场地挖填土方量计算一般采用方格网法.方格网法计算场地平整土方量步骤为：1.读识方格网图方格网图由设计单位(一般在1：500的地形图上)将场地划分为边长a=1040m的若干方格,与测量的纵横坐标相对应,在各方格角点规定的位置上标注角点的自然地面标高(H)和设计标高(Hn),如图1-3所示.图1-3方格网法计算土方工程量图2.确定场地设计标高(1)考虑的因素： 满足生产工艺和运输的要求； 尽量利用地形，减少挖填方数量；争取在场区内挖填平衡，降低运输费；有一定泄水坡度，满足排水要求.场地设计标高一般在设计文件上规定，如无规定：A.小型场地挖填平衡法；B.大型场地最佳平面设计法(用最小二乘法，使挖填平衡且总土方量最小)。(2)初步标高(按挖填平衡)场地初步标高：H0=S(H11+H12+H21+H22)/4M式中：H11、H12、H21、H22 一个方格各角点的自然地面标高； M 方格个数.或：H0=(H1+2H2+3H3+4H4)/4M式中：H1一个方格所仅有角点的标高；H2、H3、H4分别为两个、三个、四个方格共用角点的标高.(3)场地设计标高的调整按泄水坡度、土的可松性、就近借弃土等调整.按泄水坡度调整各角点设计标高 ：单向排水时，各方格角点设计标高为: Hn = H0 Li双向排水时，各方格角点设计标高为：Hn = H0 Lx ix L yi y3.计算场地各个角点的施工高度施工高度为角点设计地面标高与自然地面标高之差，是以角点设计标高为基准的挖方或填方的施工高度.各方格角点的施工高度按下式计算：式中hn-角点施工高度即填挖高度(以“+”为填，“-”为 挖)，m； n-方格的角点编号(自然数列1，2，3，n). Hn-角点设计高程， H-角点原地面高程. 4.计算“零点”位置，确定零线方格边线一端施工高程为“+”,若另一端为“-”,则沿其边线必然有一不挖不填的点，即“零点”(如图1-4所示).图1-4零点位置零点位置按下式计算：式中x1、x2 角点至零点的距离,m； h1、h2 相邻两角点的施工高度(均用绝对值),m； a 方格网的边长，m. 确定零点的办法也可以用图解法，如图1-5所示.方法是用尺在各角点上标出挖填施工高度相应比例，用尺相连，与方格相交点即为零点位置。将相邻的零点连接起来，即为零线。它是确定方格中挖方与填方的分界线。图1-5零点位置图解法5.计算方格土方工程量按方格底面积图形和表1-3所列计算公式，逐格计算每个方格内的挖方量或填方量.表1-3 常用方格网点计算公式6.边坡土方量计算场地的挖方区和填方区的边沿都需要做成边坡,以保证挖方土壁和填方区的稳定。边坡的土方量可以划分成两种近似的几何形体进行计算：一种为三角棱锥体(图1-6中、)；另一种为三角棱柱体(图1-6中).图1-6场地边坡平面图A三角棱锥体边坡体积： 式中：l1 边坡的长度； A1 边坡的端面积；h2 角点的挖土高度；m边坡的坡度系数，m=宽/高.B三角棱柱体边坡体积： 两端横断面面积相差很大的情况下，边坡体积：式中：l4 边坡的长度； A1、A2、A0 边坡两端及中部横断面面积.7.计算土方总量将挖方区(或填方区)所有方格计算的土方量和边坡土方量汇总,即得该场地挖方和填方的总土方量.8.例题【例1.1】某建筑场地方格网如图1-7所示，方格边长为20m20m,填方区边坡坡度系数为1.0,挖方区边坡坡度系数为0.5,试用公式法计算挖方和填方的总土方量.图1-7某建筑场地方格网布置图【解】(1)根据所给方格网各角点的地面设计标高和自然标高，计算结果列于图1-8中. 由公式1.9得：h1=251.50-251.40=0.10mh2=251.44-251.25=0.19m h3=251.38-250.85=0.53mh4=251.32-250.60=0.72mh5=251.56-251.90=-0.34mh6=251.50-251.60=-0.10mh7=251.44-251.28=0.16mh8=251.38-250.95=0.43m h9=251.62-252.45=-0.83mh10=251.56-252.00=-0.44mh11=251.50-251.70=-0.20mh12=251.46-251.40=0.06m图1-8施工高度及零线位置(2)计算零点位置.从图1-8中可知,15、26、67、711、1112五条方格边两端的施工高度符号不同,说明此方格边上有零点存在. 由公式1.10求得：15线x1=4.55(m)26线x1=13.10(m)67线x1=7.69(m)711线x1=8.89(m)1112线x1=15.38(m)将各零点标于图上,并将相邻的零点连接起来,即得零线位置，如图1-8. (3)计算方格土方量.方格、底面为正方形,土方量为： V(+)=202/4(0.53+0.72+0.16+0.43)=184(m3) V(-)=202/4(0.34+0.10+0.83+0.44)=171(m3) 方格底面为两个梯形,土方量为：V(+)=20/8(4.55+13.10)(0.10+0.19)=12.80(m3)V(-)=20/8(15.45+6.90)(0.34+0.10)=24.59(m3)方格、底面为三边形和五边形,土方量为： V(+)=65.73(m3) V(-)=0.88(m3) V(+)=2.92(m3) V(-)=51.10(m3)V(+)=40.89(m3)V(-)=5.70(m3) 方格网总填方量：V(+)=184+12.80+65.73+2.92+40.89=306.34(m3)方格网总挖方量： V(-)=171+24.59+0.88+51.10+5.70=253.26(m3)(4)边坡土方量计算.如图1.9,、按三角棱柱体计算外,其余均按三角棱锥体计算,可得：V(+)=0.003(m3) V(+)=V(+)=0.0001(m3) V(+)=5.22(m3) V(+)=V(+)=0.06(m3) V(+)=7.93(m3) V(+)=V(+)=0.01(m3) V=0.01(m3) V11=2.03(m3) V12=V13=0.02(m3) V14=3.18(m3) 边坡总填方量：V(+)=0.003+0.0001+5.22+20.06+7.93+20.01+0.01=13.29(m3) 边坡总挖方量： V(-)=2.03+20.02+3.18=5.25 (m3) 图1-9场地边坡平面图三、 土方调配土方调配是土方工程施工组织设计(土方规划)中的一个重要内容，在平整场地土方工程量计算完成后进行.编制土方调配方案应根据地形及地理条件，把挖方区和填方区划分成若干个调配区，计算各调配区的土方量，并计算每对挖、填方区之间的平均运距(即挖方区重心至填方区重心的距离)，确定挖方各调配区的土方调配方案，应使土方总运输量最小或土方运输费用最少，而且便于施工，从而可以缩短工期、降低成本. 土方调配的原则：力求达到挖方与填方平衡和运距最短的原则；近期施工与后期利用的原则.进行土方调配，必须依据现场具体情况、有关技术资料、工期要求、土方施工方法与运输方法，综合上述原则，并经计算比较，选择经济合理的调配方案. 调配方案确定后，绘制土方调配图如图1.10 在土方调配图上要注明挖填调配区、调配方向、土方数量和每对挖填之间的平均运距.图中的土方调配，仅考虑场内挖方、填方平衡.A为挖方，B为填方.图1-10土方调配图第三节施工准备与辅助工作一、施工准备1、在场地平整施工前,应利用原场地上已有各类控制点,或已有建筑物、构筑物的位置、标高,测设平场范围线和标高.2、对施工区域内障碍物要调查清楚，制订方案,并征得主管部门意见和同意,拆除影响施工的建筑物、构筑物；拆除和改造通讯和电力设施、自来水管道、煤气管道和地下管道；迁移树木.3、尽可能利用自然地形和永久性排水设施,采用排水沟、截水沟或挡水坝措施,把施工区域内的雨雪自然水、低洼地区的积水及时排除,使场地保持干燥,便于土方工程施工.4、对于大型平整场地,利用经纬仪、水准仪,将场地设计平面图的方格网在地面上测设固定下来,各角点用木桩定位,并在桩上注明桩号、施工高度数值,以便施工.5、修好临时道路、电力、通讯及供水设施,以及生活和生产用临时房屋.二、边坡稳定(一)边坡稳定条件与因素1、边坡稳定的条件土壁稳定,主要是由土体内摩阻力和粘结力保持平衡,一旦失去平衡,土壁就会塌方.即T CT土体下滑力。下滑土体的分力，受坡上荷载、雨水、静水压力影响。C土体抗剪力。由土质决定，受气候、含水量及动水压力影响。土体的稳定条件是：在土体的重力及外部荷载作用下所产生的剪应力小于土体的抗剪强度。2、造成土壁塌方的主要原因有：(1)边坡过陡，使土体本身稳定性不够，尤其是在土质差、开挖深度大的坑槽中，常引起塌方。(2)雨水、地下水渗入基坑，使土体重力增大及抗剪能力降低，是造成塌方的主要原因。(3)基坑(槽)边缘附近大量堆土，或停放机具、材料，或由于动荷载的作用，使土体产生的剪应力超过土体的抗剪强度.(二)放坡与护面1、直壁(不加支撑)的允许深度：密实、中密的砂土和砂填碎石土：1.00m；硬塑、可塑的轻亚粘土及亚粘土：1.25m；硬塑、可塑的粘土和粘填碎石土：1.50m；坚硬的粘土：2m 。 2、放边坡边坡坡度：I = tg=H/B=1:(B/H)=1:m 式中：m坡度系数。mB/H(2)边坡形式：斜坡、折线坡、踏步(台阶)式(见图1-11所示) 图1-11 土方边坡形式(a)直线边坡(b)不同土层折线边坡(c) 相同土层折线边坡 (3)临时性挖方的边坡值应按表1-4规定采用：注：土质均匀、地下水位低、留置时间时间短、开挖深度在5m深以内时，方可采用。表1-4 深度在5m内的基坑、基槽、管沟边坡的最陡坡度土的类别 边坡坡度（高:宽） 坡顶无荷载 坡顶有静载 坡顶有动载 中密的砂土 1 :1.001:1.251:1.50中密的碎石类砂土 1:0.751:1.001:1.25硬塑的粉土 1:0.671:0.751:1.00中密的碎石类粘土 1:0.501:0.671:0.753、边坡护面措施：覆盖法，挂网法，挂网抹面法，土袋、砌砖压坡法见图1-12三、支护结构当地质条件和周围环境不允许放坡时使用如下特殊支护结构：1横撑式支撑见图1-13所示图1-13横撑式支撑2护坡桩挡墙(1)挡墙类型1)钢板桩挡墙(见图1-14所示)图1-14钢板桩截面图2)H型钢桩挡墙(见图1-15所示)图1-15H型钢桩截面图3)钻孔灌注桩、人工挖孔桩挡墙(见图1-16所示)图1-16 桩基防护图4)深层搅拌水泥土桩、旋喷桩挡墙(见图1-17所示)图1-16深层搅拌水泥土桩、旋喷桩防护图(2)锚固形式挡墙(见图1-18所示) 图1-18锚固形式防护图3土钉墙支护作用：土钉与土体形成复合体，提高边坡稳定性和超载能力，增强土体破坏延性；特点：土体稳定性好，位移小，施工简便，费用低，对邻近建筑物影响小。分层分段施工，阶段不稳定性。适用于：地下水位以上的杂填土、粘性土、非松散砂土。边坡坡度7090 。工艺过程：挖土喷射混凝土打孔插筋、注浆铺放、压固钢筋网喷射混凝土挖下层土。4地下连续墙作用：防渗、挡土，地下室外墙的一部分；适用于：坑深大，土质差，地下水位高；邻近有建(构)筑物，采用逆作法施工。工艺过程：作导槽钻槽孔放钢筋笼水下灌注混凝土基坑开挖与支撑(动画演示)四、降低地下水位基坑工程中的降低地下水亦称地下水控制，即在基坑工程施工过程中，地下水要满足支护结构和挖土的施工要求，并且不因地下水位的变化，对基坑周围的的环境和设施带来危害。(一)降水目的1、防止涌水、流砂，保证在较干燥的状态下施工；流砂现象当开挖深度大、地下水位较高而土质为细砂或粉砂时，如果采用集水井法降水开挖，当挖至地下水位以下时，坑底下面的土会形成流动状态，随地下水涌入基坑，这种现象称为流砂A.动水压力：地下水在渗流过程中受到土颗粒的阻力，使水流对土颗粒产生的一种压力。其大小与水力坡度成正比，方向同渗流方向。 GDIw =(h/L) wB.流砂原因:当动水压力大于或等于土的浸水重度(GD)时，土粒被水流带到基坑内。主要发生在细砂、粉砂、轻亚粘土、淤泥中C.流砂的防治 减小动水压力(板桩等增加L)； 平衡动水压力(抛石块、水下开挖、泥浆护壁)； 改变动水压力的方向(井点降水)。D.如果土层中产生局部流砂现象，应采取减小动水压力的处理措施，使坑底土颗粒稳定，不受水压干扰。其方法有： (1)如条件许可，尽量安排枯水期施工，使最高地下水位不高于坑底0.5m； (2)水中挖土时，不抽水或减少抽水，保持坑内水压与地下水压基本平衡； (3)采用井点降水法、打板桩法、地下连续墙法防止流砂产生。2、防止滑坡、塌方、坑底隆起；3、减少坑壁支护结构的水平荷载。 (二)、集水井法(明排水法)动画演示1.用于土质较好、水量不大、基坑可扩大者2.挖至地下水位时，挖排水沟设集水井抽水再挖土、沟、井3.要求：(1)排水沟：沿基坑底四周设置，底宽300mm，沟底低于坑底500mm，坡度1。(2)集水井：沿基坑底边角设置，间距2040m，直径0.60.8m，井底低于坑底12m。长期用，有护壁和碎石压底。(3)水泵：离心泵、潜水泵、污水泵 (三)轻型井点降水(动画演示) 轻型井点降水法具有效果明显，使土壁稳定、避免流砂、防止隆起、方便施工的优点同时也有可能引起周围地面和建筑物沉降。1、 井点类型及适用范围(见表1-5)表1-5 井点类型及适用范围井点类型渗透系数降水深度最大井距主要原理单级轻型井点 0.120 m/d36 m1.62 m地上真空泵或喷射嘴真空吸水 多级轻型井点 620喷射井点 0.12082023m地下喷射嘴真空吸水 电渗井点 6m，或土质不良。(图示)环状：在坑槽四周